【Linux】进程学习（二）：进程状态

1.进程状态

1.1 阻塞

阻塞：进程因为等待某种条件就绪，而导致的一种不推进的状态
通俗来说，阻塞就是进程卡住了，因为缺少了某种资源

所以阻塞一定是在等待某种资源

为什么阻塞？

因为进程要通过等待的方式，等具体的资源被别人用完之后，再被自己使用。

简单理解进程等待和资源

• 资源比如磁盘、网卡、显卡 等各种外设
• 例如，当我们下载游戏时，下载速度0kb，此时CPU无法继续正常的下载，需要等待网络资源，CPU就将这个进程设置为阻塞状态，此时进程就在等待。

具体理解进程等待

系统为了管理各种各样的进程，需要为进程先描述创建task_struct，然后再组织形成双链表形式的数据结构，同样，系统为了管理各种各样的硬件资源（磁盘、网卡、显卡 等各种外设），就需要为他们创建struct来对硬件资源进行描述，然后再组织形成数据结构
例如为了管理网卡操作系统创建了struct dev，其中包含了struct task_struct* queue的等待队列，当一个进程等待网卡资源时，cpu无法调度这个进程，这个进程就被维护在网卡struct dev结构体中的queue等待队列中。
例如当scanf等待用户输入时，该进程就是阻塞状态，这个进程被维护在键盘struct dev结构体中的queue等待队列中。

实际操作系统的实现要复杂的多，这只是一个基本的理解过程。

总的来说：
阻塞就是进程不被调度，一定是当前进程需要等待某种资源就绪，一定是进程的 task_struct 结构体需要在某种被 OS 管理的资源下排队

1.2 挂起

挂起：当 CPU 资源紧张时，将 进程的代码和数据交换至磁盘中挂起，此时内存中只有 PCB
挂起可以看作一种特殊的阻塞状态,因此挂起的全称是阻塞挂起

2. 进程状态

进程和程序不相同，进程是活动的且有状态变化的。一个进程是有多个状态的。

这里我们具体谈一下Linux操作系统中的进程状态，Linux操作系统的源代码当中对于进程状态有如下定义：

static const char * const task_state_array[] = {
“R (running)”, /* 0 /
“S (sleeping)”, / 1 /
“D (disk sleep)”, / 2 /
“T (stopped)”, / 4 /
“t (tracing stop)”, / 8 /
“X (dead)”, / 16 /
“Z (zombie)”, / 32 */

task_struct是一个结构体，内部会包含各种属性，其中就有状态

struct task_struct
{
int status;
…
}

2.1 运行状态-R

进程是R状态，不代表正在运行，代表可被调度。换句话说，进程只有是R状态才可被调度，其他状态要先转为R状态，才能被OS调度。

这表明处在运行状态的进程要么是在被OS调度中，要么在运行队列里。
当操作系统需要切换进程运行时，就直接在运行队列中选取进程运行。

进一步理解运行状态

当我们运行下面这个简单的死循环，我们再来查看当前进程的状态

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
   

  while(1)
  {
   
    printf("Hello\n");
    
  }

  return 0;
}

我们发现该进程并不是处在运行状态上，他的状态是S+（睡眠状态）（ + 表示当前进程在前台运行中），并不是在运行状态，这和我们的认知相矛盾。

原因在于：

• 代码中存在printf，这个函数需要去访问外设资源。
• 我们知道，CPU的速度非常快，外设的速度非常慢。
• 当printf想要访问屏幕外设来打印时，这个外设并不一定准备就绪，因此进程就在这个外设的等待队列中等待。
• 外设准备就绪，进程被CPU调度，打印工作几乎一瞬间就运行完成，因此这个状态R很难被查询到。绝大多数的时间进程都在外设等待队列中排队，所以我们就查到S睡眠状态。

2.2 睡眠状态-S

睡眠 S 的本质就是 进程阻塞，表示此时进程因等待某种资源而暂停运行。
睡眠 S也称作可中断睡眠，我们可以强制将其关闭。

• ctrl + c 关闭
  注意：处在后台运行（也就是不带+号的）的进程无法使用ctrl + c来关闭。
  
• kill命令关闭
  kill -9 pid

2.3 休眠状态-D

当一个进程处于休眠状态（disk sleep）时，表示该进程不会被杀掉，即便是kill命令和操作系统也不行，只有该进程自动唤醒才可以恢复。
休眠也称为 不可中断睡眠

2.4 暂停状态-T

我们可以让进程处于暂停状态

通过kill -l命令来查看信号

我们可以使用19.SIGSTOP和18.SIGCONT来使进程暂停和恢复

• kill -19 PID 暂停进程
• kill -18 PID 恢复进程

暂停进程

恢复进程

注意：在 gdb 中调试代码时，打断点实际上就是使进程在指定行暂停运行，此时进程处于追踪暂停状态 t

2.5 僵尸状态-Z

Linux当进程退出时，一般进程不会立即退出，而是会维持一个状态------僵尸状态Z
目的是为了方便后续父进程或是OS读取子进程的退出结果

创建一个父子进程，并运行。

终止子进程，就可以看到子进程的状态变成了僵尸进程

僵尸状态是必要的，进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。 而任务完成的结果，可以用退出码来体现。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
   

  while(1)
  {
   
    printf("Hello\n");
    sleep(1);
  }


  return 0;
}

这个返回值0返回给了操作系统，告诉他任务顺利完成。
在Linux操作系统，我们可以使用**echo $?**命令获取最近一次进程退出时的退出码。

echo $?

僵尸进程的危害

维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护不能释放。
如果不能对僵尸进程进行回收，就会造成内存泄漏的问题。

2.6 死亡状态-X

这个状态只是一个返回状态，我们不会在任务列表里看到这个状态。因为当一个进程的退出信息被读取后，该进程所申请的资源就会立即被释放，该进程也就不存在了。

2.7 孤儿进程

当创建一个父子进程，如果退出子进程，此时子进程就成了僵尸进程。当先退出了父进程时，此时的子进程就被称为孤儿进程

当退出父进程后，父进程无法通过ps指令查询出来，说明此时的父进程已经被回收了。此外子进程的PPID变成了1，也就是操作系统。

• 父进程的父进程是bash，有回收机制，因此无法看到僵尸进程。
• 当终止父进程时，此时的子进程会被OS领养
  • 被领养后，后续子进程退出，就能被回收了。这也就是OS领养的原因

以上就是我们对“进程状态”这一主题的全面探讨。通过此次学习，我们初步掌握了进程的不同状态，理解了何为阻塞状态及其产生的原因。同时，我们也深入了解了进程状态转换的各种情况，为今后更深入地学习和控制进程状态奠定了坚实的基础。